交错桁架结构抗震性能分析及在高烈度区的应用研究

徐继东，王平山，安东亚

(华东建筑设计研究院有限公司，上海 200011)

交错桁架结构体系平面布置规则对称，结构各层的抗侧力刚度中心与水平作用合力中心接近重合，建筑的开间、进深统一。立面上，在顶层常采用空腹桁架支撑屋面结构，在底层，桁架可落地，如果想获得无柱空间，可在二层设吊杆支撑楼面。结构竖向刚度和承载力均匀，具有良好的整体性。交错桁架结构体系是一种比较理想的结构体系，符合高层钢结构抗震设计原则，平面上可通过多个模块组合的方式布置成L形、T形和十字形平面。交错桁架体系在结构上具有以下特点：(1)在竖向荷载和侧向荷载作用下，柱弯矩很小，以受轴力为主。柱的强轴一般布置在结构纵向，有利于抵抗纵向水平力；(2)结构横向的抗侧刚度大，结构在小震作用下的层间位移角很小；纵向在不设置支撑的情况下刚度相对较弱，受力特性与普通钢结构框架类似；(3)建筑功能方面可以提供较大的开间宽度，且在该开间内为无柱空间；(4)整个结构体系大多数构件承受轴力，弯矩小，可以发挥高强钢的作用，降低用钢量；(5)桁架制作简单，可缩短施工周期；(6)基础处理相对简单，可采用柱下独立基础或者条形基础；(7)相同条件下，交错桁架结构体系用钢量比钢框架节省，结构高度越高，其经济效益越明显。

国内外研究成果[1-9]表明：交错桁架结构在低烈度区应用有比较理想的效果，但是在高烈度区应用时会表现出抗震性能不足的问题。主要体现在：交错桁架结构纵向的刚度不足，破坏模式与框架结构一致；横向刚度较大，但是延性较差，杆件破坏呈现出“一致性”，导致结构的能力曲线呈波动上升的趋势。因此，针对以上问题需要对交错桁架结构进行改进以更好地满足高烈度区的应用。结构纵向类似于框架结构，可采用框架结构的加强方式。横向体现了交错桁架结构的特点，破坏的方式相对比较复杂，不确定性明显。因此，本文重点对横向(桁架方向)进行分析和研究。

1 传统交错桁架结构Push-over分析

1.1 结构概况

分析算例的结构平面尺寸为40 m×15 m，层高3.3 m，楼层数量10层。构件截面尺寸如表1所示。楼板为120 mm。所有钢材型号为Q345B，结构布置图如图1所示。设计条件如下：恒载取5.5 kN/m2；活载取2.5 kN/m2；风荷载取0.5 kN/m，地面粗糙度为B类。抗震设防烈度8度(0.2g)，Ш类场地土(Tg=0.45 s)。

表1 构件尺寸材料表

图1 结构平面布置图

1.2 Push-over分析计算结果

1.2.1 Push-over能力谱与需求谱曲线

Push-over分析采用基本振型加载方式进行推覆，结构推覆分析得到的Sa-Sd曲线如图2所示，其中需求谱曲线为8度(2组)III类场地土，Tg=0.60 s(大震时增加0.05 s)罕遇地震对应的曲线，两者交点Sa=0.354 5，Sd=207.4 mm。

图2 结构Push-over能力曲线

从图2可以看出：结构横向的能力曲线呈锯齿状，原因是桁架腹杆局部出现退化导致结构承载力急剧下降，随着变形的加大内力重分布又开始重新上升，随着腹杆的屈服又出现下降、上升，但结构的承载力会一直保持在一个水平。整个过程中结构的整体刚度持续降低，不利于结构的抗震和防倒塌。

1.2.2 塑性铰开展

Push-over推覆的最大位移为227 mm，推覆步骤分为100步，位移增加幅值为2.27 mm，提取推覆步骤中的S30(层间位移角1/200)、S60(层间位移角1/100)、S100(层间位移角1/50)步骤的轴力铰和弯曲铰开展情况，如图3所示。

图3 Push-over分析结构塑性铰分布(注：图中虚线范围内铰为失效部分)

通过图3可以看出：①结构整体首先从桁架跨中位置的腹杆开始屈服，如图3中虚线范围所示，然后向外侧扩展，轴力铰出现早于弯曲铰；②结构损伤严重区域为2～5层的桁架腹杆，梁和柱的破坏相对出现较晚，主要原因是腹杆退出工作后结构变成空腹桁架，结构进行内力重分配导致柱和桁架弦杆(梁)出现弯曲铰；③结构上部(5层以上)基本保持弹性状态。

1.2.3 Push-over分析位移角

在Push-over分析的所有步骤中，每10个分析步提取一次结构的层间位移角，观察结构的变形分布情况，并与1/250/、1/100和1/50位移角限值进行对比，结果如图4所示。

图4 Push-over分析层间位移角曲线

从图4层间位移角曲线可以看出：随着结构推覆位移的加大，结构的变形由均匀分布向局部集中变化，说明结构的桁架腹杆退出工作后，结构的这些位置刚度急剧下降，形成一个薄弱区域，并最终在该区域发生较大的变形。而在结构的上部位置则层间变形量很小，基本保持弹性状态。进一步反映出该结构体系的破坏形式和抗震设防的关键位置集中在2～5层。

2 交错桁架结构抗震设计优化

2.1 优化方案

根据Push-over分析的结构破坏情况，将2～6层部分斜腹杆由普通支撑替换为屈曲约束支撑(BRB)。采用屈曲约束支撑的优点主要有：(1)刚度可以按照设计的需求取值，不必像普通支撑满足刚度的同时还要考虑强度要求，普通支撑设计时截面大小往往由强度(承载力)控制，设计有时需要加大截面导致支撑的实际刚度偏大，增加结构的地震力；(2)屈曲约束支撑的力学性能更佳，屈曲约束支撑的承载力不会突然降低甚至破坏而导致结构整体刚度急剧下降，避免了结构的薄弱部位。

屈曲约束支撑布置方案如表2所示，根据屈曲约束支撑的参数取值按照小震等效设计，初始刚度：1～2层K0=360 kN/mm，3～4层K0=300 kN/mm，5～6层K0=250 kN/mm。屈曲约束支撑屈服力：1～2层Qy=1 500 kN，3～4层取Qy=1 250 kN，5～6层取Qy=1 000 kN。结构优化方案如图5所示。

图5 结构优化方案(注：图中○表示奇数楼层布置；△表示偶数层布置；1/2/3和A/B/C表示设置位置。)

表2 屈曲约束支撑布置方案表

2.2 计算结果及分析

2.2.1 Push-over结果

通过对表2方案S1～S4的计算分析得到各个方案的能力曲线如图6所示。其中S3方案的塑性铰如图7所示。

图6 各方案的能力谱曲线

图7 方案S3塑性铰分布(注：虚线框内铰为失效部分)

2.2.2 结果分析

通过设置屈曲约束支撑构件，与原结构方案S0结构的整体性能有明显改善，主要体现在以下几个方面：

(1)结构的能力曲线由锯齿状变得相对平滑，变形过程中没有明显地下降，保持稳定上升趋势；

(2)结构的塑性铰没有出现大量的破坏铰，塑性铰的分布由底部向结构上部转移；

(3)屈曲约束支撑的刚度保持与普通腹杆相同的情况下，适当减小屈服承载力对提高结构的延性更有利。

3 结论

(1)普通的交错桁架结构的腹杆是结构抗震的第一道防线，在水平力作用下，腹杆从中间位置向两侧逐渐进入屈服，腹杆退出工作后，结构变为空腹桁架，结构的竖杆和弦杆开始逐步屈服破坏，因此桁架的腹杆决定了结构的抗震性能。

(2)普通交错桁架结构的变形集中在底部，上部楼层基本可以保持弹性状态，因此改善底部楼层的变形能力和承载力是提高其抗震性能的关键措施。

(3)普通交错桁架结构比较适用于较低烈度区的应用，高烈度区应用时应对局部进行改善采用延性更好的构件。

(4)通过采用屈曲约束支撑代替关键部位的桁架腹杆可以提高结构的抗震性能，防止结构出现严重破坏甚至倒塌，使材料性能得到更充分的发挥。